Modelización de las perturbaciones dinámicas del vórtice polar sobre la Antártida y América del Sur

Legnani, Walter Edgardo

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Modelización de las perturbaciones dinámicas del vórtice polar sobre la Antártida y América del Sur
Título alternativo:	Modelling of dynamic perturbations of the Austral polar vortex over Antarctica and south America
Autor:	Legnani, Walter Edgardo
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Lugar de trabajo:	Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Cálculo (IC)
Publicación en la Web:	2017-03-01
Fecha de defensa:	2001
Fecha en portada:	2001
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor en Ciencias Físicas
Departamento Docente:	Departamento de Física
Director:	Jacovkis, Pablo Miguel
Director Asistente:	Canziani, Pablo Osvaldo
Idioma:	Español
Palabras clave:	MODELOS FISICO-COMPUTACIONAL; ARMONICOS DE HOUGH; METODOS ESPECTRALES; MECANICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL; ECUACIONES DE AGUAS POCO PROFUNDAS; VORTICIDAD POTENCIAL; SISTEMAS SINOPTICOS; VORTICE POLAR; AGUJERO DE OZONOCOMPUTATIONAL-PHYSICS MODELS; HOUGH ARMONICS; SPECTRAL METHODS; COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS; SHALLOW WATER EQUATIONS; POTENTIAL VORTICITY; SYNOPTIC SYSTEMS; POLAR VORTEX; OZONE HOLE
Formato:	PDF
Handle:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3421_Legnani
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n3421_Legnani.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n3421_Legnani
Ubicación:	003421
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Legnani, Walter Edgardo. (2001). Modelización de las perturbaciones dinámicas del vórtice polar sobre la Antártida y América del Sur. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3421_Legnani

Resumen:

El objetivo de esta tesis es mostrar la influencia de perturbaciones de escalasinóptica (de longitudes o escalas menores a 5000 km. aproximadamente) sobre elvórtice polar austral y sobre el agujero de ozono antártico. Estas perturbaciones sepropagan desde la tropósfera y alcanzan la estratósfera inferior. Por este motivo serealizó un estudio de la presencia de perturbaciones sinópticas y sus características adistintas alturas para comprender su estructura vertical. Para realizar este análisis sediseñaron filtros espectrales bidimensionales en el espacio cuya función fue permitir elestudio por separado de los efectos de las diferentes perturbaciones en función de suspropiedades de onda. En este sentido se trabajó con valores diarios de forma tal deretener las posibles contribuciones no lineales en el tiempo. Se evaluaron lascondiciones de penetración / propagación en la estratósfera inferior de los sistemassinópticos y se estudió su impacto sobre la dinámica del vórtice polar y el agujero deozono. Para ello se empleó un seguimiento de la dinámica del agujero de ozono en basea la evolución dinámica de la altura geopotencial y su participación en la deformacióndel sistema en análisis. Para completar el estudio se implementó un modelo de aguas poco profundascuasitrídimensional que integra en forma espectral, mediante armónicos de Hough, lasecuaciones de movimiento, escritas en coordenadas isentrópicas. Esta metodología deintegración numérica proveyó al modelo de un elevado rendimiento computacional, yaque la base espectral seleccionada fue la de autofunciones del operador de aguas pocoprofundas, de tal forma que no se hizo necesario el mapeo de la esfera para la resolucióndel sistema de ecuaciones. Este modelo posee una frontera inferior dada por la posición de la tropopausay una superior libre, es decir, que constituye un problema clásico de aguas pocoprofundas con fondo móvil. El modelo es de tipo mecanístico y es forzado (medianteel ingreso de condiciones de contorno) por los valores de la temperatura de tropopausa,extraídos a partir de datos del ECMWF (European Centre for Medium Range Weather Forecasting). Este proceso requirió técnicas precisas de interpolación y de procesado debases de datos para acoplar con el debido tiempo de integración el resto del modelo. Para establecer las condiciones iniciales del modelo al momento de realizar lasintegraciones de estudio se diseñó una integración previa de “warm up” hasta alcanzarcondiciones dinámicas y termodinámicas de la atmósfera, apropiadas con la fecha delinicio de la integración propuesta en el experimento. También fue necesario ajustar eldiseño de una capa de esponja en el contorno superior del modelo para evitar que seinestabilizara. A su vez se le añadió difusividad selectiva en la horizontal y la verticalpara evitar que las perturbaciones de menor escala fuesen amortiguadas numéricamente. Para validar el modelo se tomó un caso de estudio comprendido entre losmeses de octubre y noviembre de 1990 comparando los resultados del mismo con datosindependientes del Goddard Space Flight Center de NASA (vorticidad potencial), y del National Oceanic and Atmospheríc Administration (NOAA), E.E.U.U. (vientos ytemperatura). El modelo reprodujo estas condiciones con alta fidelidad. Los resultados del modelo convalidan los resultados observacionales sobre lacontribución de los procesos de escala sinóptica en la deformación y evolución delvórtice polar y del agujero de ozono. En síntesis, la confirmación del aporte de perturbaciones de escala sinóptica enla deformación del vórtice polar constituye un novedoso aporte en el conocimiento delos mecanismos que participan en la evolución dinámica de este último. Dicho resultadoes consolidado por un extenso estudio observacional y un modelo teórico, que incluyeimportantes implementaciones en modelado fisico-computacional, que lo respaldan.

Abstract:

The aim of this thesis is to demonstrate the influence of synoptic scaledisturbances (with scale under 5000 km approximately), upon the southern polar vortexand the Antarctic ozone hole. These perturbations propagate from the troposphere andreach the lower stratosphere. In order to verify this a study was carried on to determinethe presence and characterisation of synoptic perturbations at different heights so as tounderstand their vertical structure. Such an analysis required the design ofbidimensional spectral filters in space. Their function was to separate the perturbationsas a function of their wave properties and thus allow their separate study. Daily valueswere used so as to preserve the non-linear time relationships. The conditions forpenetration/propagation of these system into the lower stratosphere were evaluated. Theimpact of such synoptic systems upon the vortex and ozone hole dynamics was thenanalysed. Geopotential height dynamics was used to follow the ozone hole dynamics. In order to complete the study, a quasi 3-dimensional shallow water model wasimplemented. The model integrates spectrally, with Hough's harmonics, the motionequations, written in isentropic coordinates. This numeric integration methodologyprovided the model with a high computational performance, since the selected spectralbase corresponded to the shallow water eigenfuntions. Thus it was not necessary togenerate a special grid for the equation system resolution. This model has a lower boundary determined by the tropopause and a freeupper boundary. It thus constitutes a classic shallow water problem with mobile bed. Itis a mechanistic model and is forced by the boundary conditions given by thetropopause temperature, obtained from the ECWMF (European Centre for Medium Range Weather Forecasting) . This process required precise interpolation and dataprocessing techniques to couple the boundary conditions to the model with theappropriate timing. A "warm-up" integration was implemented to establish the modeldynamic and thermodynamic initial conditions for a given date. It was also necessary tocalibrate the design of a sponge layer for the upper boundary so as to avoid modelinstabilities. Furthermore selective horizontal and vertical diffusitivity were added toavoid the numerical damping of the lower scale perturbations. A case study covering the months of October and November 1990 was chosento validate the model, by comparing model outputs with independent data from NASA's Goddard Space Flight Center (potential vorticity) and NOAA (wind and temperatures). The model was able to faithfully reproduce these observations. The model results agree with the observational results on the contribution ofsynoptic scale processes to the polar vortex and ozone hole evolution and deformation. Summing up, the confirmation of the synotic scale perturbation contribution tothe polar vortex deformation is itself a new result towards the understanding of themechanisms involved in the dynamics of this phenomenon. Such result is supported bya detailed observational analysis and a theortetical model that includes importantcontributions towards the improvement of physical computational modelling.

Citación:

---------- APA ----------

Legnani, Walter Edgardo. (2001). Modelización de las perturbaciones dinámicas del vórtice polar sobre la Antártida y América del Sur. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3421_Legnani

---------- CHICAGO ----------

Legnani, Walter Edgardo. "Modelización de las perturbaciones dinámicas del vórtice polar sobre la Antártida y América del Sur". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2001.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3421_Legnani

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